CN102317603A - 内燃机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明在延迟节流阀的操作以预测将来的筒内空气量的内燃机的控制装置中兼顾内燃机的响应性和筒内空气量的预测精度。在输入要求KL之后到输出指示TA的运算过程中设置延迟时间(td)。如果燃料喷射量的运算定时到来，则使用空气响应模型预测比现在靠后延迟时间(td)达到的实际KL。而且，在从现在到吸气阀的关闭定时的预读时间(tfwd)超过延迟时间(td)的情况下，使用将td后的预测KL和目标KL的偏差作为阶跃输入值的空气响应模型来预测从延迟时间(td)的逝去时间点到预读时间(tfwd)经过所产生的实际KL的变化量。

Description

内燃机的控制装置

技术领域

本发明涉及内燃机的控制装置，具体涉及具备电子控制式节流阀的内燃机的控制装置。

背景技术

在具备电子控制式节流阀的内燃机中，基于驱动器的加速器操作量等来设定节流阀开度，根据设定的节流阀开度来操作节流阀。此时，如果在设定节流阀开度之后操作节流阀之前设置延迟时间，则实际的节流阀开度比设定的节流阀开度晚延迟时间的长短进行变化。因此，如果进行节流阀的延迟控制，则可通过延迟时间的长短来从延迟处理前的节流阀开度预测将来的节流阀开度。

为提高空燃比的控制精度而使用节流阀的延迟控制。即，如特开2002-201998号公报记载那样，预测吸气阀的关闭定时(时机)下的节流阀开度，根据从该预测节流阀开度求出的筒内空气量来计算燃料喷射量。筒内空气量在吸气阀的关闭时间点确定，因此通过用节流阀的延迟控制来预测该时间点的节流阀开度，可高精度地预测筒内空气量。

这样，在进行节流阀的延迟控制时，在空燃比的控制精度方面有益。但是，由于故意延迟节流阀的动作，因此在增加延迟时间时使内燃机的响应性下降。因此，从内燃机的响应性的观点出发期望延迟时间尽可能短，但是，简单地缩短延迟时间从空燃比的控制精度的观点出发并不理想。这是因为，为了根据筒内空气量的正确预测来计算燃料喷射量，至少需要将从燃料喷射量的运算定时到吸气阀的关闭定时的时间作为预测时间(也称为预读时间)。

作为在节流阀的延迟控制中实现兼顾内燃机的响应性和空燃比的控制精度的控制装置，有例如特开2003-120404号公报中记载的控制装置。该公报记载的控制装置通过将曲轴旋转270度所需的时间作为延迟时间，来根据内燃机的转数使延迟时间变化。据此，不仅能够将上述预读时间可靠地确保为延迟时间，还能在高速旋转区域使延迟时间缩短以使内燃机的响应性良好。

但是，在特开2003-120404号公报中记载的控制装置中，延迟时间取决于内燃机转数，因此在低速旋转区域的内燃机的响应性无论如何都会降低。如果既想在高速旋转区域使内燃机的响应性良好又想在低速旋转区域使内燃机的响应性良好，则需要考虑延迟时间的绝对缩短。但是，上述预读时间根据内燃机转数而变化，因此在使延迟时间绝对缩短的情况下，将在低速旋转区域发生延迟时间比所需的预读时间短的状况。为了在整个运转区域兼顾内燃机的响应性和空燃比的控制精度，在所需的预读时间超过延迟时间的情况下，如何高精度地预测筒内空气量是重要的。

发明内容

本发明的目的是在延迟节流阀的操作以预测将来的筒内空气量的内燃机的控制装置中兼顾内燃机的响应性和筒内空气量的预测精度。

本发明涉及的控制装置是将筒内空气量或与筒内空气量相关的物理量作为控制量来操作节流阀的控制装置。与筒内空气量相关的物理量包括例如吸气管压力。此外，使筒内空气量无量纲化的填充效率也是一个此类物理量。本发明涉及的控制装置将这些物理量作为控制量，以达到其要求值的方式操作节流阀。

为操作节流阀，本发明涉及的控制装置根据输入的要求控制量来运算向节流阀输出的开度指令值。此时，由延迟部件在输入要求控制量之后直到输出开度指令值的运算过程中设置延迟时间。作为可设置延迟时间的运算步骤，具有在输入要求控制量之后直到开始开度指令值的运算、开度指令值的运算的中途、在算出开度指令值之后直到向节流阀输出等多个步骤。在本发明中，可在这些运算步骤中的任一个设置延迟时间。此外，延迟时间可以是固定值，也可以是根据内燃机的运转状态例如内燃机转数而变化的变量。

此外，本发明涉及的控制装置，在预定的预测定时，预测在将来的预定的被预测定时达到的实际控制量，根据被预测定时的实际控制量的预测值来运算燃料喷射量。控制量是筒内空气量或与筒内空气量相关的物理量，因此可从该预测值得到被预测定时的实际筒内空气量的预测值。被预测定时优选与吸气阀的关闭定时一致或在其附近设定。

而且，本发明涉及的控制装置的一个特征是在被预测定时达到的实际控制量的预测部件。该预测部件包括下面的第一预测部件和第二预测部件。

第一预测部件使用定义实际控制量相对于要求控制量的响应特性的计算模型来预测比预测定时提前延迟时间达到的实际控制量。该计算模型可以是用算式表示空气的动力学特性的物理模型，也可以是简单的滞后因素模型。滞后因素模型可包括高次滞后因素，但是，也可适用运算负荷较小的一次滞后因素。此外，滞后因素模型可包括含有空载时间的模型。

虽然预测定时是任意的，但该预测定时可以是比吸气阀的关闭定时靠前地设定的预定的曲柄角的到达时间点。该情况下，如果被预测定时是吸气阀的关闭定时，则从预测定时到被预测定时的时间根据内燃机转数而变化，转数越低则上述时间越长。因此，在为了使内燃机的响应性良好而缩短延迟时间时，被预测定时有超过延迟时间进一步往后的情况。该情况下，为了能够进行根据被预测定时下的实际控制量的预测值的燃料喷射量的运算，在超过延迟时间往后的时间内需要预测实际控制量的变化。

第二预测部件是在从预测定时到被预测定时的时间超过延迟时间的情况下预测从延迟时间逝去的时间点到被预测定时之前产生的实际控制量的变化量的部件。到达延迟时间逝去的时间点的实际控制量的变化通过考虑实际控制量相对于要求控制量的响应特性而可从输入的要求控制量高精度地预测。但是，关于超过延迟时间的将来的实际控制量的变化，需要进行某种假设。于是，第二预测部件假设在延迟时间逝去的时间点的实际控制量的预测值和目标值之间存在差异的情况下，以消除该差异的方式使实际控制量变化，根据该假设来预测被预测定时的实际控制量。延迟时间逝去的时间点的实际控制量的目标值是预测定时的要求控制量。

具体地，第二预测部件将由第一预测部件预测的实际控制量作为初期值，将预测定时的要求控制量作为目标值，预测从延迟时间逝去的时间点到被预测定时产生的实际控制量的变化量。在该预测中，使用将实际控制量相对于要求控制量的响应特性进行定义的计算模型。作为该计算模型，可使用滞后因素模型，更具体地，可使用利用一次滞后或二次滞后等滞后因素的阶跃响应模型。该情况下，上述目标值和初期值的偏差即预测定时的要求控制量和被预测定时的实际控制量的预测值的偏差成为阶跃输入值。

附图说明

图1是用于对在本发明的实施方式中实施的节流阀的延迟控制进行说明的说明图。

图2是用于说明在本发明的实施方式中实施的筒内空气量的预读方法的说明图。

图3是表示作为本发明的实施方式的内燃机的控制装置的构成的方框图。

图4是表示在图3所示的控制装置中延迟时间td经过后的筒内空气填充效率KL的预测所使用的空气响应模型的一个实例的图。

图5是表示在图3所示的控制装置中在延迟时间td经过之后直到预读时间tfwd经过的筒内空气填充效率KL的变化量的预测所使用的空气响应模型的一个实例的图。

具体实施方式

参照图1至图5来对本发明的实施方式进行说明。

首先，使用图1来说明在本发明的实施方式中实施的节流阀的延迟控制。在图1中，将在用于操作节流阀的控制量的变化成为筒内空气量的变化而出现之前实施的各处理表示为时间序列，并且对各处理的前后的信号的变化也一并表示。

在本实施方式中，作为用于操作节流阀的控制量，使用筒内空气填充效率(以下记为KL)。控制装置取得作为该要求值的要求KL，操作节流阀以达到要求KL。在图1中，表示了要求KL阶跃地增大的情况下的各信号的变化。要求KL从例如需要向内燃机输出的转矩计算。再有，本实施方式涉及的节流阀是电子控制式节流阀，由节流阀电机驱动。

控制装置将使要求KL延迟预定的延迟时间的值设定为目标KL。目标KL是实际上在内燃机达到的KL的目标值。即，控制装置在要求的KL和通过节流阀的操作而实际达到的KL之间故意设置延迟时间大小的时间差。设置该时间差是节流阀的延迟控制的特征，设置的时间差如后述那样用于将来的KL的预测。作为时间差的延迟时间的设定越长，则将来的KL的预测精度越好，但是，内燃机的响应性将会下降。在本实施方式中延迟时间为固定，将运算周期(例如8msec)的四个周期大小设定为延迟时间。

控制装置将目标KL转换为节流阀开度(以下记为TA)。在该转换中，例如，可使用空气模型的逆模型。空气模型根据流体力学等将吸入空气量相对于节流阀的动作的响应模型化，将其用算式表示。通过向空气模型的逆模型输入目标KL，而算出用于实现目标KL的TA。控制装置将如此算出的TA作为指示TA向节流阀输出。再有，从图1所示的信号可知，为了目标KL的达到所需的足够的TA而临时使指示TA过冲。这是用于促进KL的快速变化的动作，通过进行该动作可某种程度上补偿实际KL相对于目标KL的变化的响应延迟。

图1中一并表示根据指示TA而使节流阀工作时的实际TA的变化和通过该实际TA的变化而达到的实际KL的变化。实际TA的变化相对于指示TA的变化具有响应延迟，实际TL的变化相对于实际TA的变化具有更大的响应延迟。因此，即使在使指示TA过冲地进行操作的情况下，目标KL和实际KL之间也会不可避免地产生响应延迟。该情况下的目标KL和实际KL的关系可使用通过流体力学等的物理式将空气的动力学特性模型化的空气响应模型来表示。但是，也可不使用此类复杂的模型而用更简单的一次延迟+空载时间模型表示。如后述那样，在本实施方式中，使空气的动力学特性在一次延迟+空载时间模型中近似，可将该简易的空气响应模型用于将来的KL的预测。

在本实施方式中实施的将来KL的预测的方法具有从目标KL或要求KL直接预测将来KL这一特征。即，没有采用如以往那样在预测将来的节流阀开度之后算出将来KL的预测值的方法。这是因为，减少从节流阀开度的预测值算出KL的预测值时所需的运算步骤，且通过以下的说明而明了那样可进一步减小将来KL的预测误差。

可使用图2来说明在本实施方式中实施的将来KL的预测的方法。在图2中，一并表示要求KL的时间变化和目标KL的时间变化。如上所述，以延迟时间(图中由“td”表示的时间)使要求KL延迟而得到目标KL。图2所示的各线中的粗实线所示的是此前已知的信息，细双点划线所示的是现在未知的信息。

此外，在图2中，一并表示根据目标KL来操作节流阀时的实际KL的时间变化(实际KL相对于目标KL的响应)和假设根据要求KL来操作节流阀而达到的实际KL的时间变化(实际KL相对于要求KL的响应)。实际KL相对于目标KL的响应可通过使用上述简单的空气响应模型(一次延迟+空载时间模型)而从目标KL的时间变化算出。实际KL相对于要求KL的响应同样可通过使用空气响应模型而从要求KL的时间变化算出。

图2中的现在是预测定时，具体地，是燃料喷射量的运算定时。这里，在曲轴的旋转角度到达预定角度的时间点运算燃料喷射量。而且，从现在经过图中由“tfwd”表示的时间的时间点是被预测定时，具体地，是吸气阀的关闭定时。为了燃料喷射量的正确计算，有必要预测在吸气阀的关闭定时确定的筒内空气量(这里为KL)。tfwd是燃料喷射量的正确计算所需的KL的预读时间。

在图2中，表示设定的延迟时间td比所需的预读时间tfwd短的情况。由于燃料喷射量的运算定时和吸气阀的关闭定时也与曲柄角相关，因此预读时间tfwd根据内燃机转数而变化。因此，在低速旋转区域，发生图2所示那样延迟时间td比所需的预读时间tfwd短的状况。该情况下，已知的信息是从现在到延迟时间td的经过后，因此必须预测从延迟时间td的经过后到预读时间tfwd继续经过的实际KL的变化。

为了预测超过延迟时间td的将来的实际KL的变化，需要进行某种假设。在本实施方式中，假设延迟时间td的逝去时间点的目标KL的值(等于现在的要求KL的值)在延迟时间td经过后也原样地作为目标值使用，根据该目标值来操作节流阀。如图2所示，虽然目标KL实际上有可能进一步变化，但通过将预测固定在延迟时间td的逝去时间点的目标KL，而可将目标KL的预测值和实际值的偏差平均地抑制到最小限度。

根据上述假设，在延迟时间td的逝去时间点的实际KL的预测值和目标值之间存在差异的情况下，以消除该差异的方式使实际KL变化。于是，在本实施方式中，将延迟时间td的逝去时间点的实际KL的预测值(td后的预测KL)作为初期值，将作为预测定时的现在的要求KL(td后的目标KL)作为目标值，预测从延迟时间td的逝去时间点到预读时间tfwd经过时产生的实际KL的变化量。在该预测中，可使用空气响应模型。但是，在这里使用的空气响应模型是含有一次延迟因素和空载时间的阶跃响应模型。可将上述一次延迟+空载时间模型的数值用于其时间常数和空载时间。通过将td后的目标KL和预测KL的偏差阶跃地输入到该阶跃响应模型中，而算出从延迟时间td的逝去时间点经过预读时间tfwd时产生的实际KL的变化量的预测值。

图2中虚线所示的KL的时间变化表示用上述方法预测的将来的实际KL的变化。从图2可知，吸气阀的关闭定时的实际KL的预测值(tfwd后的预读KL)和实际KL的实际值(预读目标)有可能不一致。但是，如上所述，将延迟时间td的逝去时间点的目标KL作为目标值，考虑空气的响应性以预测实际KL的变化，因此可避免预测结果较大地偏离。此外，由于在实际KL收敛于延迟时间td的逝去时间点的目标KL的前提下预测实际KL的变化，因此可避免实际KL的预测值过冲。

其次，对用于实施上述将来KL的预测方法的控制装置的构成进行说明。图3是表示本实施方式的控制装置的构成的方框图。下面使用图3来对本实施方式的控制装置的构成进行说明。

控制装置6具备延迟电路8和空气逆模型10来作为与节流阀2的操作相关的计算要素。通过延迟电路8将要求KL延迟处理的信号成为目标KL。而且，将把目标KL通过空气逆模型10进行转换的信号作为指示TA向节流阀2输出。

另一方面，控制装置6具备空气响应模型12、空气响应模型14和运算电路16，来作为与燃料喷射装置4的操作相关的计算要素。如上所述，在将来KL的预测中使用空气响应模型是本实施方式的特征之一。图4是表示在控制装置6中使用的空气响应模型12的构成的具体例的图，图5是表示空气响应模型14的构成的具体例的图。

控制装置6使用空气响应模型12来处理取得的要求KL，算出处理前的要求KL和处理后的要求KL的偏差。要求KL是延迟时间td的逝去时间点的目标KL。如图4所示，空气响应模型12是由时间常数T和空载时间L定义的一次延迟+空载时间模型。时间常数T和空载时间L可分别通过实验数据的匹配来确定。通过用此类构成的空气响应模型12来处理现在的要求KL(即，td后的目标KL)，而算出延迟时间td的逝去时间点的实际KL的预测值(td后的预测KL)。因此，上述偏差意指延迟时间td经过后的目标KL和预测KL的偏差。

控制装置6接着用空气响应模型14来处理延迟时间td经过后的目标KL和预测KL的偏差，将处理后的信号与延迟时间td经过后的预测KL相加。如图5所示，空气响应模型14是阶跃响应模型，计算由“1-e^-u”定义的空气响应系数，输出将该空气响应系数与阶跃输入值相乘而得到的信号。在这里使用的阶跃输入值是从燃料喷射量的运算定时经过延迟时间td的时间点的目标KL和预测KL的偏差。如图5所示，空气响应系数涉及的u的值是将从延迟时间td的逝去时间点到预读时间tfwd的逝去时间点所需的时间用空载时间L进行补正的预测时间(tfwd-L-td)和时间常数T之比。时间常数T和空载时间L可分别通过实验数据的匹配来确定。通过用此类构成的空气响应模型14来处理上述偏差，而算出从延迟时间td的逝去时间点到预读时间tfwd经过之前产生的实际KL的变化量的预测值(从td后到tfwd后的预测KL变化量)。因此，将空气响应模型14所产生的处理后的信号与延迟时间td经过后的预测KL相加而得到的信号意指经过预读时间tfwd的时间点的预测KL即吸气阀的关闭定时的实际KL的预测值。

控制装置6用运算电路16处理预测的将来KL即吸气阀的关闭定时的预测KL，算出用于实现期望的空燃比的燃料喷射量。而且，由运算电路16算出的燃料喷射量作为指示燃料喷射量向燃料喷射装置4输出。

再有，如上所述，图3所示的控制装置6的构成是用于实现预读时间tfwd超过延迟时间td情况下的将来KL的预测方法的构成。在预读时间tfwd比延迟时间td短的情况下，可仅使用空气响应模型12来预测将来KL。即，以现在(燃料喷射量的运算定时)为基准而用空气响应模型12将过去延迟时间td和预读时间tfwd的差(td-tfwd)的时间点的要求KL进行处理的信号成为吸气阀的关闭定时的实际KL的预测值。再有，可通过内燃机转数是否比预定转数低来判断预读时间tfwd是否超过延迟时间td。

虽然以上对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限于上述实施方式，可在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变形来实施。例如，可如下述那样变形以实施。

虽然在上述实施方式中，将KL即筒内空气的填充效率作为控制量来操作节流阀，但也可将筒内空气量或作为与其相关的物理量的吸气管压力用作控制量。

延迟处理涉及的延迟时间td也可不是定值。例如，可根据内燃机转数来使延迟时间td的长度变化。此外，控制装置6内的信号传递路径上的延迟电路9的位置不限于空气逆模型10的上游侧。可使延迟电路8位于空气逆模型10的下游，或者可使延迟电路8位于空气逆模型10的内部。即，可在输入要求KL之后直到输出指示TA的运算过程的任一处设置延迟时间td。

此外，虽然在上述实施方式中使作为预测定时的燃料喷射量的运算定时与曲柄角相关联，但也可在任意的定时设定。

另外，空气响应模型12可不考虑空载时间地成为仅一次延迟因素的模型，或者也可成为二次延迟模型或二次延迟+空载时间模型。再有，可成为使用更精确的物理式的模型。在各空气响应模型12、14所进行的计算中指数函数等函数所进行的运算的安装困难的情况下，也可用使用地图的运算来代替。

附图标记的说明：

6控制装置

12空气响应模型

14空气响应模型

td延迟时间

tfwd预读时间

Claims (6)

1.一种内燃机的控制装置，将筒内空气量或与筒内空气量相关的物理量作为控制量来操作节流阀，其特征在于，

具备：

开度指令值运算部件，其根据输入的要求控制量来运算向节流阀输出的开度指令值；

延迟部件，其在输入所述要求控制量之后到输出所述开度指令值的运算过程中设置延迟时间；

预测部件，其在预定的预测定时预测在将来的预定的被预测定时达到的实际控制量；和

燃料喷射量运算部件，其根据所述预测部件所预测的所述被预测定时的实际控制量的预测值来运算燃料喷射量，

所述预测部件包括：

第一预测部件，其使用定义了实际控制量相对于要求控制量的响应特性的计算模型来预测在所述预测定时之后再经过所述延迟时间时达到的实际控制量；和

第二预测部件，其在从所述预测定时到所述被预测定时的时间超过所述延迟时间的情况下，将由所述第一预测部件预测的实际控制量作为初期值，将所述预测定时的要求控制量作为目标值，使用定义了实际控制量相对于要求控制量的响应特性的计算模型来预测从所述延迟时间逝去的时间点到所述被预测定时为止产生的实际控制量的变化量。

2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于：

在所述第一预测部件中使用的计算模型是延迟因素模型。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其特征在于：

在所述第二预测部件中使用的计算模型是延迟因素模型。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于：

所述被预测定时是吸气阀的关闭定时。

5.根据权利要求4所述的内燃机的控制装置，其特征在于：

所述预测定时是在比吸气阀的关闭定时靠提前角设定的预定曲柄角的到达时间点，

所述预测部件根据所述内燃机转数判断从所述预测定时到所述被预测定时的时间是否超过所述延迟时间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于：

所述控制量是筒内空气的填充效率。

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